DE2529509A1 - VALVE SEAL - Google Patents
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- F16K1/228—Movable sealing bodies
- F16K1/2285—Movable sealing bodies the movement being caused by the flowing medium
Description
zur Eingabe vom 30 ^ Juni ^75 my # Name d. Ann,. pQS I - SEAL INTERN AT I ON AL , INCto enter 30 ^ J uni ^ 75 my # Name d. Ann ,. pQS I - SEAL INTERN AT I ON AL, INC
P 81/1 VentildichtungP 81/1 valve seal
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abdichtmechanismus und insbesondere einen Ventilabdichtmechanismus mit einem Kontakt Metall auf Metall zum Gewährleisten eines psoitiven Abschlusses auch bei Hochtemperaturbedingungen oder Brandrisiko.The present invention relates to a sealing mechanism and, more particularly, to a valve sealing mechanism having a metal contact on metal to ensure a positive seal even under high temperature conditions or fire risk.
In der US-PS 3 642 248 wird ein Ventilabdichtmechanismus in Form eines eine Schulter aufweisenden und in einer hinterschnittenen Umfangsnute angeordneten Verschleissringes beschrieben. Dieser weist eine kontinuierliche zentrische Rippe auf, die sich durch die öffnung in der Nute radial über den schulterförmigen Abschnitt hinauserstreckt. Die Umfangsfläche der Rippe dient dann als Sitzfläche für und befindet sich in Kontakt mit einer komplementär ausgebildeten Dichtfläche eines Ventilgliedes.In U.S. Patent 3,642,248, a valve sealing mechanism is in the form of a wear ring having a shoulder and arranged in an undercut circumferential groove is described. This one points a continuous central rib which extends radially through the opening in the groove beyond the shoulder-shaped section. The circumferential surface of the rib then serves as a seat for and is in contact with a complementary sealing surface of a valve member.
Dieser bekannte Verschleissring wird vorzugsweise mit einem 0-förmigen Stützring aus elastomerem Material kombiniert, der zwischen dem Boden der Nute und dem schulterförmigen Abschnitt des Verschleissringes sitzt. Der Stützring erfüllt eine doppelte Funktion. Er drückt den Verschleissring aus der Nute heraus in festen Kontakt mit der Abdichtfläche und verhindert weiter ein Durchlecken von unter Druck stehendem Betriebsmittel hinter dem Verschleissring.This known wear ring is preferably combined with a 0-shaped support ring made of elastomeric material, which is between the The bottom of the groove and the shoulder-shaped section of the wear ring is seated. The support ring fulfills a double function. He pushes the wear ring out of the groove into firm contact with the sealing surface and further prevents leakage pressurized equipment behind the wear ring.
Eine wichtige Anwendung der in dieser US-PS 3 642 248 beschriebenen Drosselklappenventile liegt in ihrem Einsatz in Systemen zur Handhabung von Betriebsmitteln bei hohem Druck und hohen Temperaturen oder bei entflammbaren Betriebsmitteln, die ein hohes Brandrisiko aufweisen und hieraus zu hohen Temperaturen führen können. Für diese Anwendungen wird vorgeschlagen, den Verschleissring aus voll ge- härtetem rostfreien Stahl herzustellen und ihm zwei sich nach aussen erweiternde Seitenflansche zu geben, die sich jeweils von jeder Seite des schulterförmigen Abschnittes radial entgegengesetzt zu der zentrischen Rippe erstrecken (Spalte 10, Zeile 30 bis Spalte 11,An important application of those described in this US Pat. No. 3,642,248 Throttle valves are used in systems for handling equipment at high pressure and high temperatures or in the case of flammable equipment that has a high risk of fire and can lead to high temperatures as a result. For these applications, it is proposed that the wear ring be made of fully hardened stainless steel and give it two to the outside to give widening side flanges, each from each side of the shoulder-shaped section radially opposite to the central rib extend (column 10, line 30 to column 11,
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Zeile 32).Line 32).
Mit der Erweiterung der Seitenflansche soll eine gegen die Seitenwände der Nute wirkende Abdichtkraft bewirkt werden. Der Innenumfang der Sitzfläche des Verschleissringes ist so gestaltet, dass zwischen dieser Sitzfläche des Verschleissringes und der Dichtfläche des Ventilgliedes eine radial wirkende Dichtkraft zur Wirkung kommt. Damit wird dieser aus rostfreiem Stahl bestehende Verschleißring seitlich und radial unter einen Vordruck gesetzt. Damit wird an der Grenzfläche zwischen der Sitzfläche und der Dichtfläche wie auch an der Berührungslinie zwischen den Seitenflanschen und den Wänden der Nute eine positive Abdichtung selbst dann erreicht, falls aussergewöhnliche Temperaturen den aus dem elastomeren Material bestehenden StUtzring beschädigen oder zerstören sollten.With the expansion of the side flanges, a sealing force acting against the side walls of the groove is intended to be brought about. The inner circumference of the seat of the wear ring is designed so that between this seat surface of the wear ring and the sealing surface of the valve member, a radially acting sealing force acts comes. In this way, this wear ring made of stainless steel is placed laterally and radially under a form pressure. So that will at the interface between the seat surface and the sealing surface as well as on the contact line between the side flanges and the Walls of the groove achieve a positive seal even if exceptional temperatures damage or destroy the support ring made of the elastomeric material.
Dieser aus rostfreiem Stahl bestehende Verschleissring stellt eine wirkungsvolle "feuerfeste" Abdichtung dar. Der Kontakt Metall auf Metall führt jedoch zu einem höheren Durchlecken als bei anderen aus verschiedenen Kunststoffen hergestellten Verschleissringen. Hinzuzufügen ist, dass auch die Herstellung von metallischen Verschleißringen innerhalb der für eine richtige Vorbelastung notwendigen Maßtoleranzen schwierig und teuer ist.This stainless steel wear ring represents a effective "fireproof" seal. Metal-to-metal contact, however, results in more leakage than others Wear rings made from various plastics. It should be added that the production of metallic wear rings within the dimensional tolerances necessary for a correct preload is difficult and expensive.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt damit in der Schaffung eines wirkungsvollen Dichtmechanismus für eine "feuerfeste" und andere Hochtemperaturanwendungen.One object of the present invention is to create an effective sealing mechanism for a "refractory" and other high temperature applications.
Die Erfindung betrifft weiter eine unter einem Vordruck stehende Dichtanordnung Metall auf Metall in Kombination mit einem elastischen nichtmetallischen Dichtring zum Erzielen einer maximalen Abdichtwirkung unter normalen Bedingungen und mit bleibender Abdichtwirkung im Fall einer Beschädigung oder Zerstörung des nichtmetallischen Dichtringes.The invention further relates to a form under pressure Metal-to-metal sealing arrangement in combination with an elastic, non-metallic sealing ring to achieve a maximum sealing effect under normal conditions and with permanent sealing effect in the event of damage or destruction of the non-metallic sealing ring.
Die Erfindung betrifft weiter eine metallische Ventilsitzanordnung für einen mit einem Vordruck arbeitenden Dichtkontakt Metall auf Metall mit einer Dichtfläche eines Ventilgliedes , wobei die Dicht-The invention further relates to a metallic valve seat arrangement for a metal-to-metal sealing contact working with a pre-pressure with a sealing surface of a valve member, whereby the sealing
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anordnung sowohl einfach wie kostengünstig herzustellen sein soll.arrangement should be both simple and inexpensive to manufacture.
Die Erfindung betrifft weiter eine metallische Ventilsitzanordnung in/Form einer ringförmigen dünnwandigen einsatzartigen Lippe mit einem Innenuflifang, der mit einer Dichtfläche eines Ventilgliedes in Dichtberührung steht.The invention further relates to a metallic valve seat arrangement in / form of an annular, thin-walled insert-like lip with an inner flange which is connected to a sealing surface of a valve member in Tight contact is.
Die Erfindung betrifft weiter einen metallischen Einsataing für einen Ventilsitz mit einer inneren dünnwandigen einsatzartigen Lippe zum Bewirken eines Dichtkontaktes mit einer Ventilscheibe, wobei der Ring gleichzeitig einen Haltering für einen üblichen, elastischen nichtmetallischen Dichtring darstellt,The invention further relates to a metallic insert for a valve seat with an inner thin-walled insert-like lip for producing a sealing contact with a valve disc, the ring simultaneously representing a retaining ring for a conventional, elastic, non-metallic sealing ring,
Die Erfindung betrifft weiter einen metallischen Einsatzring für einen Ventilsitz der beschriebenen Art mit solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Ventilscheibe und Ventilsitz, dass die Dichtwirkung mit steigender Temperatur zunimmt.The invention further relates to a metallic insert ring for a valve seat of the type described with such coefficients of thermal expansion of the valve disk and valve seat that the sealing effect increases with increasing temperature.
Diese und weitere Ziele werden mit dem erfindungsgemässen Abdicht- «echanismus erreicht. Er enthält eine Konstruktion, wie einen Ventilkörper »it einem Kanal mit einem Einlass und einem Auslass für die Betriebsmittelströmung, ein den Strömungskanal an einer Stelle zwischen Einlass und Auslass umschIiessendes ringförmiges Sitzgebiet, und ein Verschlussglied, wie eine Ventilscheibe mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Dichtfläche, die in ihrer Form auf das Dichtgebiet abgestimmt ist.These and other goals are achieved with the inventive sealing «Mechanism achieved. It includes a structure such as a valve body with a channel with an inlet and an outlet for the operating medium flow, in the flow channel at one point An annular seat area enclosing the inlet and outlet, and a closure member, such as a valve disc with a sealing surface extending in the circumferential direction, the shape of which is matched to the sealing area.
Der verbesserte Dichtmechanismus nach der Erfindung umfasst weiter eine ringföreige, hinterschnittene, einsatzartige Lippe, die in der Hand des Sitzgebietes ausgebildet ist und eine freie Kante aufweist, die in Richtung auf den Einlass des Strömungskanales zeigt. Der Innenuafang der freien Kante der Lippe liegt mit der Dichtfläche des Verschlussgliedes in einer vorgegebenen Passung in Eingriff- Daeit entsteht zwischen der Kante der Lippe und der Dichtfläche des Verschlussgliedes eine unter einer Vorbelastung stehende radiale Dichtkraft. Die Dichtfläche des Dichtgliedes ist im allgemeinen ein in etwa kugelförmiger Abschnitt. Dies erleichtert die verdrehbare Sff-The improved sealing mechanism of the invention further comprises a ring-shaped, undercut, insert-like lip, which in the Hand of the seat area is formed and has a free edge which points in the direction of the inlet of the flow channel. The inner catch of the free edge of the lip lies with the sealing surface of the Closing member in a predetermined fit in engagement Daeit a radial sealing force under a preload arises between the edge of the lip and the sealing surface of the closure member. The sealing surface of the sealing member is generally an in approximately spherical section. This facilitates the rotatable Sff-
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nung des Dichtgliedes. Die linienförmige Berührung erfolgt vorzugsweise in einer Ebene in einem Abstand strömungsabwärts von der Ebene des maximalen Scheibendurchmessers. Durch eine Anordnung der Lippe dergestalt, dass ihre freie Kante strömungsaufwärts zeigt, wird die unter einer Vorlast stehende Abdichtkraft durch den Betriebsmitteldruck erhöht, der von der Einlaßseite des Kanales aus gegen die hinterschnittene Seite der Lippe wirkt. Auf diese Weise steigt bei einem Anstieg des Betriebsmittel druckes auch der radiale Abdichtdruck zwischen der Lippe und der Dichtfläche des Ventilgliedes an. Zusätzlich wird die Ventilscheibe bei ansteigendem Betriebsdruck strömungsabwärts in die Zapfenlager bewegt. Damit wird sie fester in dichtenden Eingriff mit der ringförmigen Lippe gedruckt.tion of the sealing member. The linear contact is preferably carried out in a plane at a distance downstream from the plane of the maximum disk diameter. Through an arrangement of the If the lip is designed so that its free edge points upstream, the sealing force, which is under a preload, is generated by the operating medium pressure increased, which acts from the inlet side of the channel against the undercut side of the lip. In this way If the operating fluid pressure rises, the radial pressure also increases Sealing pressure between the lip and the sealing surface of the valve member. In addition, when the operating pressure rises, the valve disc is moved downstream into the journal bearings. With that she will more firmly pressed into sealing engagement with the annular lip.
Bei der oben beschriebenen Anordnung bildet die ringförmige Lippe des verbesserten Abdichtmechanismus eine äussere Sitzfläche zum Eingriff mit einer kompleaentär ausgebildeten Dichtfläche eines Verschlußgliedes für den Strömungskanal. Die Anordnung kann auch umgedreht werden. Dann bildet die ringförmige Lippe eine innere Sitzfläche auf dem Verschlussglied zwecks Eingriff mit einer in der Wand des Strömungskanales ausgebildeten äusseren Dichtfläche. Die erste Anordnung wird jedoch bevorzugt, da Metall bei_Zugbeanspruchung im Vergleich zu Metall bei Druckbeanspruchung bessere Eigenschaften zeigt.In the arrangement described above, the annular lip of the improved sealing mechanism forms an outer seating surface for engagement with a complementary sealing surface of a closure member for the flow channel. The arrangement can also be reversed. Then the annular lip forms an inner seating surface on the closure member for engagement with an outer sealing surface formed in the wall of the flow channel. the However, the first arrangement is preferred because it is metal under tensile stress shows better properties when compared to metal when subjected to compression.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich insbesondere für Strömungssysteme eignet, bei denen die normalen Betriebstemperaturen die Verwendung von elastischen nichtmetallischen Dichtungen zulassen, umfasst die ringförmige lippenartige Dichtung Metall auf Netall der vorliegenden Erfindung als die strömungsabwärtige Mündung einer hinterschnittenen Nute zum Halten eines üblichen elastischen Dichtringes, zum Beispiel eines Verschleissringes mit oder ohne Stützring, wie er in der US-PS 3642 248 beschrieben wird. Der elastische Dichtring bildet die Hauptdichtung und gewährleistet bei normalen Betriebsbedingungen ein nur minimales Durchlecken. Die metallische Lippe wirkt als Hilfsdichtung und sichert einen bleibenden Abschluss falls der elastische Dichtringe beschädigt oder zerstört werden sollte.A preferred embodiment of the present invention, which is particularly suitable for flow systems in which normal operating temperatures permit the use of resilient non-metallic seals, the annular lip-like seal metal on metal of the present invention comprises as the downstream mouth of an undercut groove for holding a conventional resilient Sealing ring, for example a wear ring with or without a support ring, as described in US Pat. No. 3,642,248. The elastic sealing ring forms the main seal and ensures minimal leakage under normal operating conditions. The metallic lip acts as an auxiliary seal and ensures a permanent seal should the elastic sealing ring be damaged or destroyed.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die ringförmige Lippe in einem besonderen Ventilsitz-Einsatzring ausgebildet. Dieser kann auch als Rückhaltering für einen üblichen elastischen Dichtring oder Verschleissring dienen. Die ringförmige Lippe lässt sich einfach und kostengünstig in den Einsatzring einarbeiten. Er kann dann mit Maschinenschrauben oder anderen üblichen Befestigungsmitteln im Sitzgebiet befestigt werden. Die Verwendung eines getrennten Einsatzringes für den verbesserten Abdichtmechanismus der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass diese Abdichtkonstruktion bei Bedarf auch wahlweise in übliche Ventilkörper eingebaut werden kann. Getrennte Einsatzringe lassen sich auch aus Metallen herstellen und Verfahren unterwerfen, die sich insbesondere für vorbelastete Abdichtfunktionen Metall auf Metall eignen. Dies mag zu Eigenschaften führen, die sich für das Material des Ventil körpers oder einer anderen Konstruktion, in die der Dichtmechanismus einzubauen ist, nicht eignet. Insbesondere lässt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Einsatzringes kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Scheibe wählen. Damit lassen sich grössere Andruckkräfte und eine verbesserte Dichtwirkung bei ansteigenden Temperaturen erreichen.In a particularly preferred embodiment, it is annular Lip formed in a special valve seat insert ring. This can also serve as a retaining ring for a conventional elastic sealing ring or wear ring. The annular lip can be work into the insert ring easily and inexpensively. It can then be attached to the seat area with machine screws or other conventional fasteners. The use of a separate Insert ring for the improved sealing mechanism of the present invention enables this sealing structure to be used when required can also optionally be installed in conventional valve bodies. Separate insert rings can also be made from metals and Subject to processes particularly suitable for metal-to-metal preloaded sealing functions. This may lead to properties that are beneficial to the material of the valve body or a other construction in which the sealing mechanism is to be installed is not suitable. In particular, the coefficient of thermal expansion of the material of the insert ring can be smaller than the thermal one Select the expansion coefficient of the disc. In this way, greater pressure forces and an improved sealing effect can be achieved with increasing temperatures.
Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:Using the example of the embodiments shown in the drawing the invention will now be further described. In the drawing is:
eines üblichen Zapfenventiles, in das sich die bevorzugte Ausführungsform des verbesserten erfindungsgemässen Abdichtmechanismus einbauen lässt,of a conventional pin valve, in which the preferred embodiment of the improved according to the invention Can be installed sealing mechanism,
des Dichtmechanismus in Kombination mit einem üblichen Verschleissring und Abstützring in dem in Figur 1 gezeigten Ventil mit geöffneter Ventilscneibe,the sealing mechanism in combination with a conventional one Wear ring and support ring in the valve shown in Figure 1 with the valve disc open,
Figur 3: ein Teilschnitt ähnlich Figur 2, jedoch bei geschlossener Ventilscheibe,Figure 3: a partial section similar to Figure 2, but with the valve disc closed,
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Figur 4: ein Teilschnitt ähnlich Figur 3, jedoch mit auf der Einlaßseite des Ventiles unter Druck eingeführtem Betriebsmittel ,FIG. 4: a partial section similar to FIG. 3, but with operating medium introduced under pressure on the inlet side of the valve,
Figur 5: ein Teilschnitt ähnlich Figur 4 mit der Darstellung der von selbst wirksam werdenden Dichtfunktion des erfindungs gemässen Mechanismus für den Fall einer Zersfirung oder eines Verlustes des Verschleissringes, undFIG. 5: a partial section similar to FIG. 4 with the representation of FIG by itself becoming effective sealing function of the invention according to the mechanism in case of disintegration or a loss of the wear ring, and
nach Figur 5 aber ohne den für den Verschleißring vorgesehenen Ersatzring«.according to FIG. 5 but without the replacement ring provided for the wear ring.
Zum besseren Verständnis der Konstruktion und der Arbeitsweise des verbesserten Abdichtmechanismus der vorliegenden Erfindung wird diese nun an einer Ausführungsform beschrieben, die in ein sonst übliches Klappen- oder Zapfenventil eingebaut ist. Figur 1 zeigt ein solches Ventil in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung.To better understand the construction and operation of the improved sealing mechanism of the present invention, this will now be described using an embodiment which is built into an otherwise conventional flap or spigot valve. Figure 1 shows a such a valve in an exploded perspective view.
Das in Figur 1 gezeigte Ventil enthält einen Ventilkörper 1 in Form einer flachen ringförmigen Scheibe mit einem inneren Kanal 2 mit einem Einlass 3 und einem Auslass 4. Die unterstromseitige oder Auslaßseite 5 des Ventil körpers weist eine ringförmige Einschnürung 6 zur bündigen Aufnahme eines Rickhalteringes 7 auf. Dieser wird mit Flachkopfschrauben 8 angeschraubt. Der Rückhaltering 7 dient zur Befestigung eines Dicht- oder Verschleissringes 9 und eines Stützringes 10 in einer in die unterstromseitige Kante des Kanales 2 eingearbeiteten Umfangsnute 11. Im folgenden wird noch ausgeführt, dass dieser Rückhaltering 7 auch die Sitzanordnung des erfindungsgemässen verbesserten Abdichtmechanismus darstellt.The valve shown in Figure 1 contains a valve body 1 in the form a flat annular disc with an inner channel 2 with an inlet 3 and an outlet 4. The downstream or The outlet side 5 of the valve body has an annular constriction 6 for receiving a rick holder ring 7 flush. This one will screwed on with flat head screws 8. The retaining ring 7 is used for fastening a sealing or wear ring 9 and a support ring 10 in one in the downstream edge of the channel 2 incorporated circumferential groove 11. In the following it will be explained that this retaining ring 7 also represents the seat arrangement of the improved sealing mechanism according to the invention.
Eine Ventilscheibe 12 mit einer an ihrem Umfang vorgesehenen Dichtfläche 13 wird in den Kanal 2 eingesetzt und ist dort zwischen einer üffnungsstellung, in der sie im wesentlichen parallel zur Achse des Kanales 2 verläuft, und einer Schließstellung, in der sie im wesentlichen senkrecht zum Kanal verläuft, drehbar. In ihrer Schließstellung liegt ihre Dichtfläche 13 an der Ventilsitzkonstruktion an.A valve disk 12 with a sealing surface 13 provided on its circumference is inserted into the channel 2 and is there between a opening position in which it is essentially parallel to the axis of the Channel 2 runs, and a closed position in which it runs substantially perpendicular to the channel, rotatable. In its closed position, its sealing surface 13 rests against the valve seat structure.
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Zu dieser gehören der Verschleissring 9 und der Rückhaltering 7.This includes the wear ring 9 and the retaining ring 7.
Die Einrichtungen zur verschwenkbaren Befestigung der Ventilscheibe im Kanal zwecks Drehung zwischen der üffnungs- und der Schließstellung enthalten einen Ventilzapfen 14. Dieser ist in oberen und unteren Buchsen 15 bzw. 16 drehbar in einer diametral durch den Ventilkörper durchgebohrten Sacklochbohrung 17 gelagert. Der Ventilzapfen 14 tritt weiter durch eine Bohrung 18 durch, die durch einen diametralen Vorsprung 19 auf der stromaufwärtigen Seite der Ventilscheibe durchgebohrt ist. Mit Stuten 20 ist die Ventilscheibe mit dem Zapfen verbunden.The devices for the pivotable fastening of the valve disc in the channel for the purpose of rotation between the opening and the closed position contain a valve pin 14. The valve pin 14 further passes through a bore 18 which is drilled through by a diametrical projection 19 on the upstream side of the valve disc. The valve disc is connected to the pin by means of the studs 20.
Ein Durchlecken entlang des oberen Endes des Ventilzapfens 14 wird mit einer üblichen Packung verhindert. Diese Packung enthält einen Abstandhalter 21 und elastische Stopfringe 22, Diese werden in der Sacklochbohrung 17 an die Oberseite der Büchse 15 angedrückt. Hierzu werden der Dichtring 23 und die Platte 24 mit auf Gewindebolzen 26 aufgeschraubte Muttern 25 nach unten gedruckt. In seinen Buchsen wird der Ventilzapfen 14 mit der Hand oder einen im einzelnen nicht dargestellten und an das obere Vierkantende 27 angeflanschten Motor gedreht.Leak through along the top of the valve pin 14 is prevented with a normal pack. This pack contains a spacer 21 and elastic stopper rings 22, These are in the Blind hole 17 is pressed against the top of the sleeve 15. For this purpose, the sealing ring 23 and the plate 24 are also placed on threaded bolts 26 screwed nuts 25 printed down. In its sockets is the valve pin 14 by hand or a motor, not shown in detail and flanged to the upper square end 27 turned.
Die Konstruktion und Arbeitsweise der verbesserten erfindungsgemässen Abdichtung wird nun in den Figuren 2 bis 6 in ihren Einzelheiten gezeigt.The construction and operation of the improved inventive Sealing is now shown in detail in FIGS.
Figur 2 zeigt einen Abschnitt der zusammengesetzten Dichtanordnung des Ventiles nach Figur 1. Die Form des eine Schulter aufweisenden Dichtringes 9 und des Abstützringes 10 und ihre Anordnung in der Nute 11 sind im wesentlichen so, wie dies in der bereits genannten US-PS 3 642 248 beschrieben wird.Figure 2 shows a portion of the assembled sealing arrangement of the valve according to Figure 1. The shape of the one shoulder Sealing ring 9 and the support ring 10 and their arrangement in the groove 11 are essentially as in the already mentioned U.S. Patent 3,642,248.
Die erfindungsgemässe Verbesserung wird gekennzeichnet durch eine ringförmige hinterschnittene schürzenartige Lippe 28, die in den Rückhaltering 7 eingearbeitet ist und die unterstromseitige öffnung der Nute 11 darstellt. Die Lippe 28 verläuft im allgemeinen strömungsaufwärts und sie weist eine freie Kante 29 auf, die strömungs-The improvement according to the invention is characterized by a annular undercut, skirt-like lip 28, which is incorporated into the retaining ring 7, and the opening on the downstream side the groove 11 represents. The lip 28 extends generally upstream and it has a free edge 29, the flow
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aufwärts in Richtung auf den Einlass des Kanales 2 verläuft. Die Innenfläche 30 der Lippe 28 hat an deren freier Kante einen Durchmesser, der kleiner als der des Kanales 2 ist. Der Durchmesser der Innenfläche 30 ist etwa genau so wie der Durchmesser der Sitzfläche 31 des Dichtringes 9.runs upwards towards the inlet of the channel 2. the The inner surface 30 of the lip 28 has a diameter at its free edge which is smaller than that of the channel 2. The diameter of the Inner surface 30 is roughly the same as the diameter of the seat surface 31 of the sealing ring 9.
Die Durchmesser von sowohl der Innenfläche 30 der Lippe 28 und der Sitzfläche 31 des Dichtringes 9 sind auch kleiner als der Durchmesser der Dichtfläche 13 der Ventilscheibe 12. Befindet sich diese in ihrer in Figur 2 gezeigten Schließstellung liegen die Sitzflächen 30 und 31 der Lippe 28 bzw. des Dichtringes 9 an der Dichtfläche 13 der Ventilscheibe 12 an. Dies erfolgt im Feststiz und eine radiale Abdichtkraft wirkt dabei zwischen den Sitzflächen und der Dichtfläche der Ventilscheibe.The diameters of both the inner surface 30 of the lip 28 and the Seat surface 31 of the sealing ring 9 are also smaller than the diameter of the sealing surface 13 of the valve disc 12. If this is located in In their closed position shown in FIG. 2, the seat surfaces 30 and 31 of the lip 28 or of the sealing ring 9 lie on the sealing surface 13 of the valve disc 12. This takes place in the Feststiz and a radial The sealing force acts between the seat surfaces and the sealing surface of the valve disc.
Zwecks maximaler Abdichtwirkung und minimalen Drehmomentes beim Verstellen besteht der Dichtring 9 vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel Tetrafluoräthylen. Ein solches Material hat einen verhältnismässig niedrigen Elastizitätsmodul. Die aus dem Feststiz zwischen dem Ring und der Scheibe erzielbare Abdichtkraft ist auch verhältnismässig klein. Durch Anwendung eines elastomeren Abstutzringes 10 geeigneter Grosse werden damit durch das Zusammenquetschen dieses Ringes zusätzliche Abdichtkräfte erzeugt. Figur 2 zeigt dieses Bild. Der sich aus einer vorgegebenen auf den Dichtring wirkenden Abdichtkraft ergebende radiale Abdichtdruck lässt sich auch dadurch erhöhen, dass zum Vermindern der Berührungsfläche zwischen dem Ring und der Ventilscheibe ein ringförmiger Abschnitt 32 aus dem Dichtring 9 herausgeschnitten wird.For the purpose of maximum sealing effect and minimum torque when adjusting, the sealing ring 9 is preferably made of an elastic one Plastic material such as tetrafluoroethylene. Such a material has a relatively low modulus of elasticity. The sealing force that can be achieved from the fastening between the ring and the disk is also relatively small. Using a elastomer support ring 10 of suitable size are thus by squeezing this ring together generates additional sealing forces. Figure 2 shows this picture. The result of a given The radial sealing pressure resulting from the sealing force acting on the sealing ring can also be increased by cutting an annular section 32 out of the sealing ring 9 to reduce the contact surface between the ring and the valve disk.
Die Figuren 4 und 5 zeigen die Auswirkung des Einführens von unter Druck stehendem Betriebsmittel auf die Einlaßseite des Ventiles. In Figur 4 neigt das unter Druck stehende und durch den Pfeil angedeutete Betriebsmittel dazu, das* stromaufwärtige Ende des Dichtringes 9 von der stromaufwärtigen Seitenwand 33 der Nute wegzudrükken. Das Betriebsmittel läuft dann in das Gebiet zwischen dem Dichtring und dem Boden 34 der Nute ein, von wo es den elastomeren Stützring in die strömungsabwärtige Ecke der Nute drückt. Als Folge hier-Figures 4 and 5 show the effect of inserting below Pressurized operating medium on the inlet side of the valve. In FIG. 4, the pressurized operating medium indicated by the arrow tends to push the upstream end of the sealing ring 9 away from the upstream side wall 33 of the groove. The operating fluid then runs into the area between the sealing ring and the bottom 34 of the groove, from where it presses the elastomeric support ring into the downstream corner of the groove. As a consequence of this-
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von erhöht sich die Abdichtwirksamkeit der bekannten Kombination aus Dicht- und Abstutzring, wie sie in der bereits erwähnten US-PS 3 642 248 beschrieben wird. Solange wie der Abdicht- und der Stützring ganz und voll betriebsfähig sind trägt die unter einem Vordruck stehende Metallippe 28 der vorliegenden Erfindung wenig oder nichts zur Abdichtung bei.from increases the sealing effectiveness of the known combination from sealing and support ring, as described in the already mentioned US Pat. No. 3,642,248. As long as the sealing ring and the support ring are completely and fully operational, the pre-pressurized metal lip 28 of the present invention carries little or nothing nothing to seal.
Werden der Dichtring 9 und der Abstutzring 10 jedoch zum Beispiel durch Brand beschädigt oder zerstört, ergibt sich die in Figur 5 gezeigte Situation. In diesem Fall füllt das unter Druck stehende Betriebsmittel die Nute 11 aus da und der einzige Kontakt zwischen dem Ventilsitz und der Scheibe erfolgt zwischen der Innenfläche der freien Kante der Lippe 28 und der Dichtfläche 13 der Ventilscheibe.However, if the sealing ring 9 and the support ring 10 are for example Damaged or destroyed by fire, the situation shown in FIG. 5 results. In this case, the pressurized fills Operating means the groove 11 out there and the only contact between the valve seat and the disc is between the inner surface of the free edge of the lip 28 and the sealing surface 13 of the valve disc.
Der Grund für ein Hinterschneiden der Lippe zum Ausbilden eines dünnwandigen schürzenartigen Ringes ergibt sich bei einer Betrachtung von Figur 5. Die Lippe 28 wirkt wie ein Federglied, das sich mit der Ventilscheibe in eine Passung mit beträchtlichem radialen Übermaß bringen lassen kann, ohne dass dabei die Betriebsfähigkeit des Ventiles übermässig beeinträchtigt wird. Eine nominale radiale Passung von mindestens 0,125 mm ist selbst bei den kleinsten Ventilgrössen notwendig, um bei sämtlichen Ventil- und Sitzkombinationen unter normalen Herstellungstoleranzen einen Dichtsitz zu erhalten. Die Aussenfläche 35 der Lippe 28 bildet zusätzlich eine Fläche, an der sich der durch die Pfeile angezeigte Druck des Systemes aufbauen kann und damit zusätzliche Abdichtkräfte hervorruft. Die Form der Lippe führt daher zu einer von selbst wirksam werdenden Abdichtung, die/die Abdichtwirkung bei ansteigendem Systemdruck erhöht.The reason for undercutting the lip to form a thin-walled apron-like ring results when looking at Figure 5. The lip 28 acts like a spring member that with the valve disc in a fit with considerable radial Can bring excess without affecting the serviceability of the valve is excessively impaired. A nominal radial A fit of at least 0.125 mm is necessary even for the smallest valve sizes in order to ensure a sealing seat for all valve and seat combinations under normal manufacturing tolerances obtain. The outer surface 35 of the lip 28 also forms a surface on which the pressure of the indicated by the arrows System can build and thus creates additional sealing forces. The shape of the lip therefore leads to a self effective sealing, which increases the sealing effect with increasing system pressure.
Die Abdichtwirksamkeit der Lippe kann auch mit steigender Temperatur zunehmen, falls der thermische Ausdehnungskoeffizient des die Lippe bildenden Materials kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Ventilscheibe ist. Besteht diese zum Beispiel aus rostfreiem Stahl und besteht der Ring aus Kohlenstoffstahl, wird der Scheibenumfang bei steigender Temperatur rascher zunehmen, als der Umfang der Lippe und die Scheibe damit fester auf den Lippen-The sealing effectiveness of the lip can also increase with increasing temperature, if the coefficient of thermal expansion of the Lip-forming material is smaller than the coefficient of thermal expansion of the valve disc. For example, if this consists of stainless steel and if the ring is made of carbon steel, the disc circumference will increase more rapidly as the temperature rises the circumference of the lip and the disk thus more firmly on the lip
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ring andrücken. Abhängig von den Betriebsbedingungen des Ventiles können auch Werkstoffe mit entsprechend anders voneinander abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt werden.press the ring. Depending on the operating conditions of the valve It is also possible to choose materials with different thermal expansion coefficients.
Die Kombination eines bekannten Abdichtringes und Stützringes mit der erfindungsgemässen Abdichtung Metall auf Metall nach der Darstellung in den Figuren 2-4 ist in den meisten Fällen die bevorzugte Ausführung zum Erreichen maximaler Abdichtung. Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform. Hier wird die erfindungsgemässe Dichtung in Kombination mit allein änem Dichtring verwendet. Diese Ausführungsform ist angezeigt, wenn die Betriebsbedingungen für das elastomere Material des Abstützringes, im allgemeinen Naturkautschuk oder sythetischer Kautschuk, abträglich sind. Wie zuvor kann der Abdichtring aus einem elastischen Material, wie zum Beispiel TFE, hergestellt werden. In extremen Fällen könnte er auch aus Metall hergestellt werden, falls eine doppelte Dichtung Metall auf Metall notwendig ist.The combination of a well-known sealing ring and support ring with The metal-to-metal sealing according to the invention as shown in FIGS. 2-4 is in most cases the preferred embodiment for achieving maximum sealing. Figure 6 shows an alternative embodiment. Here the seal according to the invention is used in combination with a single sealing ring. These Embodiment is indicated when the operating conditions are detrimental to the elastomeric material of the support ring, generally natural rubber or synthetic rubber. As before can the sealing ring can be made of an elastic material such as TFE. In extreme cases it could also be made of metal, if a double metal seal is on Metal is necessary.
Nach der Darstellung in Figur 6 ist der Dichtring unter normalen Bedingungen allein wirksam und dichtet sowohl an der Grenzfläche zwischen der Sitzfläche 31 und der Dichtfläche 13 wie auch hinter dem Dichtring an der Grenzfläche zwischen der stromabwärtigen Seitenwand 36 der Nute und dem Flansch des Dichtringes 9 ab. Dies geschieht in Folge des sich hinter dem Dichtring aufbauenden Druckes, der radial nach Innen und seitlich nach Aussen gegen die Rückseiten der Sitzabschnitte und Seitenflansche des Ringes wirkt.As shown in Figure 6, the sealing ring is under normal Conditions alone effective and seals both at the interface between the seat surface 31 and the sealing surface 13 as well as behind the sealing ring at the interface between the downstream side wall 36 of the groove and the flange of the sealing ring 9. This happens as a result of the pressure building up behind the sealing ring, which acts radially inwards and laterally outwards against the rear sides of the seat sections and side flanges of the ring.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform des hinterschnittenen, ringförmigen, schürzenartigen Dichtmechanismus der vorliegenden Erfindung in der Kombination mit der Konstruktion des Dicht- und Stützringes nach der US-PS 3 642 248 liegt, lässt sich der Dichtmechanismus bei Bedarf auch mit anderen üblichen elastischen Dichtgliedern oder allein mit sich selbst verwenden. Bei Konstruktionen, bei denen die hinterschnittene schürzenartige Dichtung allein verwendet werden soll, braucht für einen elastischen Dichtring die strömungsaufwärtige Nute nicht ausgebildet zu werden. Bei Standardventilen jedoch, zum Beispiel mit der in Figur 5 geneigten Nutenanordnung,Although the preferred embodiment of the undercut, annular, apron-like sealing mechanism of the present invention is in combination with the construction of the sealing and support ring according to US Pat. No. 3,642,248, the sealing mechanism can also be combined with other conventional elastic sealing members if necessary or use alone with yourself. In constructions where the undercut apron-like seal is used alone is to be, the upstream groove does not need to be formed for an elastic sealing ring. With standard valves however, for example with the groove arrangement inclined in FIG.
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ergibt sich abhängig von den für das Ventil beabsichtigten Betriebs bedingungen eine grosse Vielzahl von Dichtkombinationen.results depending on the intended operation for the valve conditions a wide variety of sealing combinations.
Die für den Abdichtmechanismus der vorliegenden Erfindung bevorzugte Ausführungsform ist auch als ein Teil eines Rückhalte- oder Einsatzringes gezeigt worden. Die hinterschnittene schürzenartige Lippe der Erfindung lässt sich unmittelbar in die Wand des Strömungskanals eines Ventilkörpers einarbeiten. Ein getrennter Einsatzringt bringt jedoch mehrere Vorteile. Einige dieser Vorteile, wie die erleichterte Bearbeitung und die Anwendung von für einen Ventilsitz besonders geeigneten Werkstoffen sind bereits oben beschrieben worden.The preferred embodiment for the sealing mechanism of the present invention is also available as part of a restraint or Insert ring has been shown. The undercut apron-like lip of the invention can be worked directly into the wall of the flow channel of a valve body. However, a separate insert ring has several advantages. Some of these benefits, like the ease of processing and the use of materials particularly suitable for a valve seat have already been described above.
Die Gestalt des Rückhalteringes der gezeigten Ausführungsform ermöglicht zusätzlich ein einfaches Einsetzen des Dichtringes und/ oder des Abstützringes und führt weiter zu einem gewissen Maß an Selbstzentrierung. Damit wird eine gewisse Fehlzentrierung der Ventilscheibe im Ventilkörper aufgehoben. Diese Selbstzentrierung ergibt sich durch Schliessen der Ventilscheibe vor dem Anziehen der Befestigungsschrauben des Rückhalteringes. Das Spiel in den Schraubenlöchern ermöglicht ein gewisses Verschieben des Ringes zu seiner Anpassung an die Ventilscheibe. Anschliessend werden die Schrauben angezogen.The shape of the retaining ring of the embodiment shown also allows easy insertion of the sealing ring and / or the support ring and further leads to a certain degree of self-centering. This will cause a certain mis-centering of the Valve disc lifted in the valve body. This self-centering results from closing the valve disc before tightening the fastening screws of the retaining ring. The play in the screw holes allows some movement of the ring too its adaptation to the valve disc. The screws are then tightened.
Zuvor wurde bereits ausgeführt, dass die hinterschnittene schürzenartige Lippe wie ein Federglied wirkt. Bei der Konstruktion einer Dichtung für eine bestimmte Anwendung ist es daher wichtig sicherzustellen, dass die Fliessgrenze des Metalles nicht überschritten wird. Für eine vorgegebene Ventilgrösse lässt sich die Gleichung zum Bestimmen des maximal zulässigen radialen Obermaßes aus der Grundgleichung für elastische Werkstoffe und der geometrischen Form der ringförmigen Lippe leicht ableiten.It was previously stated that the undercut, apron-like lip acts like a spring member. When constructing a For a specific application it is therefore important to ensure that the yield point of the metal is not exceeded will. For a given valve size, the equation for determining the maximum permissible radial oversize can be derived from Easily derive the basic equation for elastic materials and the geometric shape of the annular lip.
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dabei ist /\r das maximal zulässige radiale übermass in Zoll,where / \ r is the maximum permissible radial oversize in inches,
S die maximal zulässige Zugbeanspruchung in der Lippe in pound pro Quadratzoll ,S is the maximum allowable tensile stress in the lip in pounds per square inch,
E der Young'sche Modul für das die Lippe bildende Material in pound pro Qudratzoll undE is the Young's modulus for the material forming the lip in pounds per square inch and
d der durchschnittliche Durchmesser der Lippe in Zoll.d is the average diameter of the lip in inches.
Experimentell wurde ermittelt, dass ein radiales Übermaß von etwa 0,005 Zoll bis etwa 0,010 Zoll für Venti1grössen im Bereich von 1,5 bis 36 Zoll Durchmesser befriedigende Ergebnisse bringen. Bei Grössen oberhalb von 36 Zoll wird erwartet, dass das radiale Obermaß auf von etwa 0,008 Zoll bis etwa 0,015 Zoll erhöht werden sollte. Diese Zahlen sollen nur als Beispiel und nicht beschränkend anzusehen sein. Sie beziehen sich auf diejenigen Maße, die nach einem Einschleifen der Ventilscheibe und des Sitzes nach mehreren öffnungs- und Schiiessvorgängen gemessen werden. Selbst bei geschliffenen Passflächen wurde gefunden, dass sich der gemessene Innendurchmesser der hinterschnittenen Lippe während der zehn ersten Betriebszyklen des Ventiles um 0,015 Zoll auf mehr als 0,020 Zoll erhöht. Eine vorbestimmte Vorbelastung könnte damit verlorengehen, falls diese anfängliche Abnutzung unberücksichtigt tflelibt.It has been determined experimentally that a radial oversize of about 0.005 "to about 0.010" for valve sizes in the range of 1.5 to 36 inches in diameter will give satisfactory results. at For sizes above 36 inches, it is expected that the radial oversize should be increased from about 0.008 inches to about 0.015 inches. These numbers are intended as an example and not limiting to be seen. They relate to those dimensions that are obtained after grinding in the valve disc and the seat after several opening and closing processes can be measured. Even with ground fitting surfaces, it was found that the measured Inner diameter of the undercut lip during the first ten Valve duty cycle increased 0.015 "to greater than 0.020". A predetermined pre-load could thus be lost, if this initial wear and tear is not taken into account.
Zusätzlich zu einer Begrenzung des radialen Obermaßes, so dass es innerhalb der Elastizitätsgrenze des die Abdichtlippe bildenden Materials bleibt, ist es weiter wichtig, die Querschnittsfläche der Lippe (Breite mal Dicke) zu begrenzen, um damit die in der Lippe herrschende Zugspannung unter einem Wert zu halten, der sich auf das für das Ventil maximal erwünschte Drehmoment bezieht. Diese Beziehung zwischen der Zugstärke und dem Betätigungsdrehmoment lässt sich experimentell bestimmen. Die entsprechende Querschnittsfläche A wird durch die Gleichung gegeben:In addition to limiting the radial excess, so that it remains within the elastic limit of the material forming the sealing lip, it is also important that the cross-sectional area of the Lip (width times thickness) to limit in order to keep the tensile stress prevailing in the lip below a value that is based on refers to the maximum torque required for the valve. This relationship between the tensile strength and the operating torque leaves determine oneself experimentally. The corresponding cross-sectional area A is given by the equation:
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F . d
A = 2E . F. d
A = 2E.
dabei ist F die maximal zulässige Zugkraft in pound,where F is the maximum permissible tensile force in pounds,
d der Durchschnittsdurchmesser der Lippe in Zoll,d is the average diameter of the lip in inches,
E der Young'sche Modul in pound pro Quadratzoll und /\r das radiale Übermaß in Zoll.E is Young's modulus in pounds per square inch and / \ r is the radial oversize in inches.
Um für Fachleute zu erläutern, wie die vorliegende Erfindung auf einen Bereich von Venti1grössen angewendet werden kann, werden in der folgenden Tabelle repräsentative Abmessungen der Lippe für drei VentilgrÖssen gegeben. Sämtliche Abmessungen sind/in Zoll zu verstehen; In order to explain to those skilled in the art how the present invention can be applied to a range of valve sizes, in the following table representative dimensions of the lip for three Valve sizes given. All dimensions are to be understood in inches;
Ventilgrösse Lippenbreite LippenstärkeValve size, lip width, lip thickness
6 0,135 0,0206 0.135 0.020
10 0,140 0,02510 0.140 0.025
20 0,180 0,02520 0.180 0.025
Bei jeder der obigen Beispiele liegt die Breite der hinterschnittenen Lippe i zwischen dem mindestens Fünffachen und weniger als dem Zehnfachen ihrer Stärke. Obgleich der Betriebsbereich der erfindungs· gemässen Abdichtung nicht auf Werte zwischen diesen Verhältnissen beschränkt ist, stellen sie bevorzugte praktische Grenzen dar. Bei einem Verhältnis der Breite zur Stärke von etwa 5 ist das Drehmoment leicht höher als erwünscht und diecfem Systemdruck ausgesetzte Fläche ist zu gering, um eine merkbare Selbstbetätigung zu erreichen. Bei einem Verhältnis von mehr als etwa 10 lässt sich die Lippe schwierig bearbeiten und die ohne überschreit'·"1 der Elastizitätsgrenze des Materials erreichbare maximale Vorbelastung fällt unter die optimalen Werte.In each of the above examples, the width of the undercut lip i is between at least five times and less than ten times its thickness. Although the operating range of the seal according to the invention is not limited to values between these ratios, they represent preferred practical limits. With a ratio of width to thickness of about 5, the torque is slightly higher than desired and the area exposed to the system pressure is too small. to achieve noticeable self-actuation. At a ratio of more than about 10, the lip can be difficult and the process without exceeding '· "1 of the elastic limit of the material achievable maximum preload falls within the optimum values.
Die bevorzugte Ausführungsform des verbesserten DichtmechanismusThe preferred embodiment of the improved sealing mechanism
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der vorliegenden Erfindung ist somit erläutert und beschrieben worden. Fachleuten leuchtet es jedoch ein, dass die Erfindung nicht notwendigerweise auf die beschriebenen AusfUhrungsformen beschränkt ist und dass eben jene Fachleute auch weitere Anordnungen und Ausgestaltungen ermitteln können, die im Rahmen der erfinderischen Lehre der vorstehenden Offenbarung liegen.the present invention has thus been illustrated and described. However, it will be understood by those skilled in the art that the invention is not necessarily limited to the embodiments described is and that those skilled in the art can also determine further arrangements and configurations that are within the scope of the inventive Teaching of the above disclosure.
Die bevorzugte Ausführungsform ist zum Beispiel mit der hier hinterschnittenen ringförmigen Lippe erläutert worden, die mit der Umfangsdichtfläche auf einer Ventilscheibe ein äusseres Sitzglied bildet. Die Stellungen der Dichtfläche und der ringförmigen Lippe lassen sich jedoch austauschen, so dass die Lippe von der Ventilscheibe oder einem ähnlichen Schliessglied für den inneren Strömungs kanal getragen wird, und die Dichtfläche bildet dabei den Ventilsitz.The preferred embodiment has been explained, for example, with the annular lip undercut here, which with the Circumferential sealing surface forms an outer seat member on a valve disc. The positions of the sealing surface and the annular lip can be exchanged, however, so that the lip of the valve disc or a similar closing element for the internal flow channel is carried, and the sealing surface forms the valve seat.
Bei einer solchen Anordnung würde die ringförmige Lippe unter Vordruck gesetzt werden. Da die Zugfestigkeit von Metall nun wesentlich besser als die Druckfestigkeit ist, wird diejenige Anordnung bevorzugt, bei der die Metallipe die Dichtfläche umschliesst. Andere für die Lippe verwendbare Werkstoffe, die überlegene Druckfestigkeiten aufweisen, wie möglicherweise Keramik, könnten sich für die andere Ausführungsform besser eignen.In such an arrangement, the annular lip would be pre-pressurized. Since the tensile strength of metal is now essential is better than the compressive strength, that arrangement is preferred in which the metal pipe surrounds the sealing surface. Other Materials that can be used for the lip and that have superior compressive strengths, such as possibly ceramics, could be useful for the other embodiment are better suited.
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